RGB, YUV, Bayer: Was ist der tatsächliche Unterschied zwischen Pixelformaten?

Heute sprechen wir über einen wichtigen Parameter von Industriekameras – das Pixelformat.

1. Was ist ein Pixelformat?

Das Pixelformat bezeichnet die Speichermethode und die Datenorganisationsstruktur jedes Pixels, wenn eine Kamera ein Bild aufnimmt. Industriekameras unterstützen mehrere Pixelformate, sodass Benutzer je nach Anforderung das geeignete Format auswählen können. Gängige Pixelformate sind: Mono, Bayer, RGB, YUV usw.

2. Gängige Pixelformate

(1) Mono-Format

Das Mono-Format oder Schwarzweißmodus wird typischerweise für die Aufnahme von Graustufenbildern verwendet. In diesem Format enthält jedes Pixel nur Helligkeitsinformationen (Helligkeit) und keine Farbinformationen. Zum Beispiel bedeutet Mono 10, dass jedes Pixel mit 10 Bit gespeichert wird.

(2) Bayer-Format

Das Bayer-Format wird für die Aufnahme von Farbbildern verwendet und nutzt ein Farbfilter-Array (CFA). Jedes Pixel enthält Informationen für die Farben Rot, Grün und Blau, aber normalerweise kann jedes Pixel nur den Wert einer dieser Farben erfassen. Die fehlenden Farbwerte werden durch Interpolation aus den Werten benachbarter Pixel ermittelt.

Das Bayer-Format weist mehrere verschiedene Anordnungsmuster auf, zum Beispiel:

• RG, GB (allgemein als RGGB-Muster bezeichnet, das die Farbkanäle für geradzahlige Zeilen angibt)

• BG, GR (allgemein als BGGR-Muster bezeichnet, eine weitere gängige Abtastreihenfolge)

(3) RGB-Format

Das RGB-Format enthält drei Kanäle, die die Helligkeitsinformationen für Rot, Grün und Blau separat aufzeichnen. Jedes Pixel enthält Informationen zu allen drei Farben. Im RGB-Format wird jedes Pixel durch drei Werte dargestellt, die R, G und B entsprechen.

(4) YUV-Format

Das YUV-Format ist ein bei der Videobearbeitung häufig verwendeter Pixelformat. Er teilt die Bilddaten in Luminanz (Y) und Chrominanz (U, V) auf. Y steht für die Helligkeit (Helligkeitswert/Graustufen), während U und V die Chrominanz (Farbinformation) repräsentieren. Das YUV-Format wird oft für die Videokomprimierung verwendet, da das menschliche Auge empfindlicher auf Änderungen der Helligkeit als auf Änderungen der Farbe reagiert.

Gängige YUV-Formate sind:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Diese Formate beziehen sich auf verschiedene Chroma-Subsampling-Verfahren. Im Allgemeinen bedeutet eine kleinere Zahl (z. B. bei 4:2:0 im Vergleich zu 4:4:4) weniger Chrominanzinformation und somit eine kleinere Dateigröße.

3. Pixelformat und Packung

Bei der Besprechung von Pixelformaten taucht manchmal das Konzept des „verpackten“ Formats auf. Die Verpackung dient dazu, Speicherplatz und Bandbreite zu sparen. Bei einem ungepackten Format werden Pixeldaten oft in einem größeren, an Standardgrenzen ausgerichteten Speicherbereich gespeichert (z. B. 16 Bit). Um die Speicherung zu optimieren, können die Daten enger in einen kleineren Speicherbereich verpackt werden, der besser zur tatsächlichen Bit-Tiefe passt.

Zum Beispiel:

• Mono 10 könnte ein ungepacktes Format bedeuten, bei dem die 10-Bit-Daten einen 16-Bit-Speicherplatz einnehmen und somit 6 Bit verschwendet werden.

• Mono 10 Packed würde die 10-Bit-Daten effizienter speichern, beispielsweise indem mehrere 10-Bit-Pixel in eine Byte-Sequenz verpackt werden (z. B. 4 Pixel in 5 Bytes), wodurch Speicherplatz und Übertragungsbandbreite eingespart werden. Die genaue Verpackungsmethode kann variieren.

4. Eigenschaften verschiedener Pixelformate  

(1) Monochrome Kameras: Mono-Format

Die Rohdaten von Monochrom-Kameras liegen typischerweise im Mono-Format vor und enthalten nur Graustufeninformationen. Da keine Farbinformationen vorhanden sind, ist das Bilddaten-Volumen relativ gering, was zu einer höheren Speicher- und Übertragungseffizienz führt.

(2) Farbkameras: Bayer-Format

Die Rohdaten von Farbkameras verwenden üblicherweise das Bayer-Format. Dieses Format erfasst Bilder mithilfe verschiedener Farbfilter (Rot, Grün, Blau) auf dem Bildsensor. Das Datenvolumen des Bayer-Formats ist kleiner als das von vollständigem RGB, jedoch kann die Bildqualität aufgrund der berechneten Farbinformationen durch Interpolation (Debayering/Demosaicing) hinsichtlich der Farbauflösung und möglicher Artefakte leicht unter echtem RGB liegen.

(3) RGB-Format

Das RGB-Format eignet sich für die Aufnahme hochwertiger Farbbilder. Jedes Pixel enthält Daten für alle drei RGB-Kanäle, wodurch farblich reichere Bilder entstehen. Es eignet sich für Szenarien, die eine feine Farbverarbeitung erfordern. Allerdings ist das Datenvolumen beim RGB-Format groß.

(4) YUV-Format

Das YUV-Format wird für die Videobearbeitung verwendet. Es reduziert das Datenvolumen, indem es Helligkeits- und Farbinformationsdaten trennt. Da die Helligkeitskomponente (Y) der primäre Bestandteil ist und das menschliche Auge empfindlicher auf Helligkeit reagiert, können die Farbkomponenten (U, V) herunterabgetastet werden (in der Auflösung reduziert), was eine effektive Komprimierung der Bilddaten ermöglicht. Es wird häufig für die Videoübertragung und -speicherung verwendet.

5. Unterschiede zwischen Pixelformaten

(1) Wert pro Pixel:

• Mono-Format: Jeder Pixel enthält nur einen Grauwert.

• Bayer-Format: Jeder Pixel erfasst den Wert nur einer Farbe (R, G oder B); andere Farbwerte werden aus benachbarten Pixeln interpoliert.

• RGB-Format: Jeder Pixel enthält R-, G- und B-Werte.

• YUV-Format: Trennt das Bild in Y (Helligkeit) sowie U und V (Farbunterschiedssignale).

(2) Datenmenge pro Frame:

• Mono-Format: Typischerweise 8, 10, 12 oder 16 Bit pro Pixel.

• Bayer-Format: Hat in der Regel eine kleinere Rohdatenmenge als RGB, oft 8, 10 oder 12 Bit pro Pixel (vor der Debayerung).

• RGB-Format: Belegt mehr Speicherplatz, üblicherweise 24 Bit pro Pixel (8 Bit pro Kanal × 3 Kanäle), oft als RGB8 bezeichnet.

• YUV-Format: Die Größe variiert je nach Abtastverfahren (z. B. verwendet YUV422 durchschnittlich oft 16 Bit pro Pixel, YUV420 verwendet durchschnittlich 12 Bit pro Pixel).

(3) Unterschiede bei der Bildwiederholfrequenz:

Aufgrund der unterschiedlichen Datenmengen variieren die erreichbaren Bildraten zwischen den Pixelformaten. Im Allgemeinen kann das Bayer-Format höhere Bildraten erreichen, da die Ausgabe an Rohdaten kleiner ist. Das RGB-Format führt typischerweise zu niedrigeren Bildraten aufgrund der größeren Datenmenge. Die Bildraten beim YUV-Format liegen im Allgemeinen zwischen denen des Bayer- und des RGB-Formats, abhängig von der Untertastung.

(4) Unterschiede bei der Bildqualität:  

Bei Farbkameras können Bilder im Bayer-Format eine leicht geringere effektive Farbauflösung und mögliche Farbartefakte (wie Moiré) aufweisen, da die Farben interpoliert werden.

Das RGB-Format liefert direkt auf Pixel-Ebene genauere und reichhaltigere Farben, da keine Interpolation für die Farben erforderlich ist.

Die Farbsättigung im YUV-Format kann der im RGB-Format ähneln, doch die Trennung von Helligkeit (Luminanz) und Farbinformation (Chrominanz) macht es für viele Bildverarbeitungs- und Komprimierungsaufgaben effizienter.

6. So stellen Sie das Pixelformat ein

Bevor das Pixelformat eingestellt wird, muss der Bildaufnahmestrom der Kamera angehalten werden. Anschließend wählen Sie mithilfe der Kamerasteuerungssoftware oder über den Eigenschaftsbaum der Kamera (z. B. über GenICam) im Menüpunkt Pixel Format das gewünschte Pixelformat aus. Nach der Formatänderung kann der Aufnahmestrom wieder gestartet werden.